Arduino編程與程序設(shè)計(jì)課程的融合

“大眾創(chuàng)業(yè)、萬(wàn)眾創(chuàng)新”新時(shí)代，創(chuàng)客及創(chuàng)客教育開(kāi)始受到國(guó)內(nèi)重視。Arduino因其極強(qiáng)的易用性和擴(kuò)展性，成為創(chuàng)客空間中的重要平臺(tái)和工具。將Arduino編程融入程序設(shè)計(jì)課程，將創(chuàng)客教育融入專業(yè)教學(xué)之中，探索適合高職學(xué)生的創(chuàng)客之路。

一、引言

在“大眾創(chuàng)業(yè)、萬(wàn)眾創(chuàng)新”新時(shí)代，“創(chuàng)客”這一詞出現(xiàn)在李克強(qiáng)總理的2015年政府工作報(bào)告中，創(chuàng)客一時(shí)間在國(guó)內(nèi)引起了廣泛的關(guān)注。在歐美國(guó)家，創(chuàng)客活動(dòng)、創(chuàng)客空間早已比較普遍，這緣于他們的創(chuàng)新教育推行得比較早。比如，美國(guó)項(xiàng)目引路PLTW、德國(guó)跨地區(qū)特別領(lǐng)域研究SFB/TR項(xiàng)目組以及以美國(guó)廣泛推行的STEAM課程（科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)、數(shù)學(xué)教育的跨專業(yè)跨學(xué)科融合）。STEAM教育、創(chuàng)客教育已經(jīng)滲透到歐美國(guó)家的日常教育中，許多大中小學(xué)里都開(kāi)設(shè)了創(chuàng)客課程。在這些課程中，Arduino成為一種基礎(chǔ)技術(shù)，利用它可以簡(jiǎn)便快捷地將創(chuàng)客們的創(chuàng)意想法變成現(xiàn)實(shí)。但在我國(guó)高校中，Arduino課程開(kāi)設(shè)較少，其與專業(yè)課程的融合值得研究和探討。

二、創(chuàng)客空間和Arduino

創(chuàng)客源自英語(yǔ)單詞“Maker”，原意是指“制造者”，現(xiàn)在，創(chuàng)客用于指代利用網(wǎng)絡(luò)、3D打印以及其他新興科技，把創(chuàng)意轉(zhuǎn)換成現(xiàn)實(shí)，勇于創(chuàng)新的一群人。創(chuàng)客們開(kāi)展創(chuàng)客活動(dòng)的場(chǎng)所稱為創(chuàng)客空間，創(chuàng)客空間里有3D打印機(jī)、各類工具、電子元件及Arduino套件等。開(kāi)展創(chuàng)客活動(dòng)離不開(kāi)數(shù)字技術(shù)，3D打印技術(shù)、物理交互設(shè)計(jì)和人工智能的程序設(shè)計(jì)是其最重要核心技術(shù)。而物理交互設(shè)計(jì)的電子制作作品，利用Arduino可以快速組裝起來(lái)。

什么是Arduino呢？它是一個(gè)開(kāi)源軟硬件平臺(tái)，能夠很好地完成物理交互設(shè)計(jì)和部分的智能程序設(shè)計(jì)，如果再配上3D打印的個(gè)性外形設(shè)計(jì)，基本可以滿足創(chuàng)客們的將創(chuàng)意變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)的愿望。用Arduino搭建起來(lái)的裝置，實(shí)際上就是互動(dòng)式系統(tǒng)（裝備），它能利用傳感器感知世界（采集輸入信息），用微控制器智能處理，最后由執(zhí)行器輸出，如圖1所示。傳感器可以感受溫度、濕度、光強(qiáng)、重力等信息，執(zhí)行器可以是馬達(dá)、燈光、舵機(jī)或其他裝置，微控制器就是我們的Arduino。Arduino不僅隱藏了大部分的底層電子操作技術(shù)細(xì)節(jié)，還為用戶提供了多個(gè)輸入＼輸出接口。它不僅體積小，價(jià)格便宜，而且支持類似C語(yǔ)言的編程語(yǔ)言，用戶可以在電腦上編寫代碼，通過(guò)USB線燒錄入Arduino板即可調(diào)試運(yùn)行。用戶甚至不用自己寫代碼（Arduino是開(kāi)源項(xiàng)目），找到類似案例的源碼稍加修改即可。Arduino讓前沿的數(shù)字技術(shù)也變得不再遙不可及，普通人都可以用它來(lái)實(shí)現(xiàn)自己的創(chuàng)意想法。

三、Arduino編程與程序設(shè)計(jì)課程的融合

由于Arduino編程和C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)非常接近，我們嘗試在《C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)》等編程實(shí)踐課程中融入Arduino編程，讓程序設(shè)計(jì)的效果不再局限于電腦上，而是通過(guò)一件件富有創(chuàng)意的電子制作作品上表達(dá)出來(lái)，極大地提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和動(dòng)手能力。

圖1 Arduino交互式系統(tǒng)

1.課程內(nèi)容的融合

由于Arduino基本語(yǔ)法和C語(yǔ)言基本一致（如數(shù)據(jù)類型、運(yùn)算符、控制語(yǔ)句、變量常量、函數(shù)定義等），我們只需在C語(yǔ)言的基礎(chǔ)上擴(kuò)展一些庫(kù)和函數(shù)（如setup、loop函數(shù)）即可。對(duì)于非電子信息類專業(yè)的學(xué)生，我們還可以補(bǔ)充一些最基礎(chǔ)的電路知識(shí)。針對(duì)C語(yǔ)言課程的章節(jié)內(nèi)容，教師應(yīng)該精心設(shè)計(jì)每一個(gè)實(shí)驗(yàn)。比如學(xué)完變量常量和數(shù)據(jù)類型，就可以設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的控制一個(gè)LED燈閃爍的實(shí)驗(yàn)；學(xué)完分支控制語(yǔ)句（if-else）后，可以設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)控制多個(gè)LED燈閃爍的實(shí)驗(yàn)；學(xué)完循環(huán)控制語(yǔ)句（for或while循環(huán)）后，可以設(shè)計(jì)廣告流水燈實(shí)驗(yàn)等等。

2.學(xué)習(xí)方式的融合

在Arduino平臺(tái)上，我們秉承創(chuàng)客教育“做中學(xué)、學(xué)中做”的理念，融入創(chuàng)造驅(qū)動(dòng)的學(xué)習(xí)方式。Arduino編程和程序設(shè)計(jì)課程內(nèi)容融合后，勢(shì)必要求課程采取項(xiàng)目學(xué)習(xí)法、DIY（Do It Yourself，自己動(dòng)手做）、創(chuàng)新教育等新型理念，讓學(xué)生在創(chuàng)造中完成學(xué)習(xí)任務(wù)，比以往程序設(shè)計(jì)課程要求的任務(wù)驅(qū)動(dòng)、動(dòng)手實(shí)操走得更遠(yuǎn)。

3.學(xué)習(xí)平臺(tái)的融合

在學(xué)習(xí)程序設(shè)計(jì)課程時(shí)用到的主要工具是計(jì)算機(jī)， Arduino編程則是對(duì)計(jì)算機(jī)的拓展。Arduino平臺(tái)搭建非常簡(jiǎn)單，在電腦上安裝Arduino的USB驅(qū)動(dòng)，然后用USB線連接Arduino板，最后在電腦上安裝Arduino IDE環(huán)境即可。借助Arduino極強(qiáng)的易用性和拓展性，編程課程如同多出了眼鼻耳口（各種傳感器）和手腳（各種執(zhí)行器），學(xué)生在這種融合的平臺(tái)上有無(wú)限的發(fā)揮空間。此外，Arduino也比較便宜，淘寶網(wǎng)上100-200元左右即可以買到Arduino套件。

4.師資隊(duì)伍的融合

計(jì)算機(jī)、電子技術(shù)等信息技術(shù)類的教師應(yīng)該成為學(xué)校創(chuàng)客教育的先驅(qū)者。由于他們對(duì)先進(jìn)技術(shù)具有較強(qiáng)的敏感度和應(yīng)用能力，對(duì)計(jì)算機(jī)、電子元件也比較熟悉，有迅速轉(zhuǎn)變?yōu)閯?chuàng)客角色的基礎(chǔ)。學(xué)?？梢詾樗麄兲峁ｉT的培訓(xùn)機(jī)會(huì)，鼓勵(lì)他們搭建創(chuàng)客教育環(huán)境、營(yíng)造高校創(chuàng)客文化氛圍，在計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)課程上走得更遠(yuǎn)。

（作者單位：長(zhǎng)沙職業(yè)技術(shù)學(xué)院）